Chemische diversificatie van eiwitten is een belangrijk concept bij de studie van biologische processen en de complexe structuren van de eiwitten zelf. Onderzoekers van de Max Planck Society hebben nu hun fascinerende bevindingen over een aminozuur gepubliceerd in Nature Chemistry .

Chemische diversificatie van eiwitten omvat het gebruik van snelle en milde reacties die zich selectief richten op een specifiek aminozuur en dus op een bouwsteen van eiwitten. Cysteïne is een prominent voorbeeld en kan momenteel op twee manieren worden aangepast. De eerste manier vereist de synthese van elektrofielen voor elke gewenste modificatie, bijvoorbeeld een fluorescentiesonde die het mogelijk maakt het molecuul te volgen in zeer complexe biologische mengsels.

De tweede manier maakt van cysteïne zelf een chemische spil, die vervolgens kan worden gediversifieerd. Tot nu toe werd dit uitgevoerd in meerstapssyntheses. Deze methoden hebben het nadeel dat de spil niet kan worden geïntroduceerd in aanwezigheid van externe reagentia die nodig zijn voor de diversificatie ervan. Dat gaat vaak gepaard met een beperkte keuze aan reagentia voor de functionaliteit, omdat de spil tijdens zuiveringsprocessen in oplossing moet blijven en daardoor een intrinsiek verminderde reactiviteit heeft.

Een nieuwe techniek van de onderzoeksgroep van Tobias Ritter, directeur van het Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, is intrigerend omdat het de introductie mogelijk maakt van een zeer reactief tussenproduct in een éénpotsproces op basis van één enkele elektrofiel. Bovendien maakt deze methode een brede diversificatie van het nieuwe tussenproduct mogelijk, zelfs in de aanwezigheid van externe reagentia.

In hun onderzoek vond de Ritter-groep een manier om vinylthianthreniumzouten te gebruiken om cysteïne in situ om te zetten in een zeer reactief episulfonium-elektrofiel. Deze aanpak maakt het mogelijk om cysteïne met verschillende andere externe nucleofielen te verbinden in één enkel proces, zonder dat er extra stappen nodig zijn. De methode stelt de wetenschappers in staat om verschillende biorelevante functionele groepen aan eiwitten te koppelen met behulp van een korte en stabiele ethyleenbinding zeer dicht bij het oppervlak van het eiwit. Dit biedt dus een nieuwe en aantrekkelijke manier om labels of functionaliteiten toe te voegen die de chemische omgeving van een eiwit veranderen.

Als er geen externe nucleofielen worden toegevoegd, kunnen andere aminozuren reageren met het episulfoniumtussenproduct in een intramoleculaire reactie. Die reactiviteit maakt eiwit-eiwitligatie en macrocyclisatie van lineaire peptiden mogelijk. Terwijl de eerste benadering het mogelijk maakt om eiwitcomplexen en hun vaak gewijzigde biologische activiteit te bestuderen, maakt de tweede benadering de peptiden stabieler ten opzichte van biologische afbraak als ze bijvoorbeeld als medicijn worden gebruikt.

Bovendien zorgde de synthese van vinylthianthreniumzouten uit ethyleengas ervoor dat de Ritter-groep reagentia kon synthetiseren met een andere samenstelling van isotopen. Deze met isotoop gelabelde verbindingen bezitten dezelfde reactiviteit als de niet-gelabelde derivaten, maar verschillen enigszins in hun molecuulgewicht. Daarom kunnen ze worden gebruikt in het state-of-the-art proteomics-onderzoek naar massaspectrometrie om kwantitatieve informatie uit hele cellulaire systemen te extraheren. Over het geheel genomen wordt de methode waarbij vinylthianthreniumzouten worden gebruikt, gepresenteerd als een nuttig en breed toepasbaar hulpmiddel op het gebied van de chemische biologie.

Meer informatie: Philipp Hartmann et al, Chemoselectieve umpolung van thiolen naar episulfoniums voor bioconjugatie van cysteïne, Natuurchemie (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01388-7

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door Max Planck Society